CN110690315A - 一种硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硫化钼‑石墨烯异质结光电导探测器及其异质结的制备方法，包括异质结，所述异质结包括设置在SiO2/Si衬底层上的MoS2层，所述MoS2层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有若干个金属电极。本发明提供了一种具有低成本、高响应度的二维材料异质结负光电导探测器及其制备方法；通过采用二维材料转移技术，减少石墨烯/TMDC异质结界面层杂质问题，提高石墨烯/TMDC光导型探测器的光电特性。
Description
技术领域
本发明属于光电导探测器领域，尤其涉及一种具有低成本、高响应度的石墨烯和过渡金属硫化物为代表的硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器的结构及其异质结的制备方法。
背景技术
光电导探测器是将光纤或者波导中的光脉冲转换为电信号的器件。在集成电子技术领域有着十分重要的作用。
异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结(P-p结或N-n结)和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是:两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
随着信息时代的高速发展，对高速传输光信号信息采集的光电探测器扮演着越来越重要的角色，在信息传递、视频成像、安全安防、大气传感器、生物医学等领域有重要应用。随着应用规模的不断扩大，要求探测更快、更高效、更宽的波段范围成为光电探测器中需要解决的问题。光导型器件相比光伏型器件，结构简单，响应度高，在制备方面更容易实现。
石墨烯具有超薄的单原子层结构，较高的电子迁移率和极宽的电磁波吸收谱，使得基于石墨烯的光探测器可以实现紫外甚至中远红外的超宽波段探测，如T. Mueller等[1]人用石墨烯薄膜制备红外光探测器，在远红外波段响应度达到6.1mA/W。然而石墨烯为零带隙结构，以及低光吸收率，使器件响应度较低。另一种类石墨烯二维材料过渡金属硫化物(TMDC)，具有带隙可调结构，以及较强的光吸收率，因此构造石墨烯与TMDC结合形成异质结，对于增强器件的光电效应具有一定意义。高质量转移是构造二维材料异质结及其柔性器件应用的关键之一。然而转移之后的二维材料（如石墨烯）常出现褶皱、破裂等问题，从而影响二维材料探测器的光电性能。因此减少转移过程中产生的杂质缺陷等问题，对器件性能的提升十分重要。
因此，为解决现有技术中存在的问题，需研发一种具有低成本、高响应度的硫化钼/石墨烯二维材料异质结负光电导探测器及其制备方法。通过采用二维材料转移技术，减少石墨烯/TMDC异质结界面层杂质问题，提高石墨烯/TMDC光导型探测器的光电特性。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有低成本、高响应度的硫化钼和石墨烯异质结光电导探测器及其制备方法。通过采用二维材料转移技术，减少石墨烯/TMDC异质结界面层杂质问题，提高石墨烯/TMDC光导型探测器的光电特性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器，包括异质结，所述异质结包括设置在SiO2/Si衬底层上的MoS2层，所述MoS2层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有若干个金属电极。
本发明一个较佳实施例中，所述石墨烯层上设置有2个金属电极，金属电极采用Ag制成。
本发明一个较佳实施例中，所述SiO2/Si衬底层包括设置在所述MoS2层下方的SiO2层，以及设置在所述SiO2层下方的Si层。
本发明一个较佳实施例中，硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器的制备方法：
步骤一，MoS2层转移通过聚二甲基硅氧烷PDMS干法转移方式；利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从而将MoS2从MoS2/Sapphire中的原始基底的蓝宝石上剥离出来，转移至所需的SiO2/Si衬底层上形成MoS2/SiO2/Si层。具体的，聚二甲基硅氧烷PDMS是转移常用的一种粘弹性较好的聚合物。
步骤二，石墨烯层转移主要使用真空热压***实现两种材料的组装；为了制备异质结，需将石墨烯薄膜转移至MoS2/SiO2/Si层上MoS2层的表面作为石墨烯层，形成石墨烯/MoS2/SiO2/Si层。具体的，真空热压提供了一种干净、褶皱少等优势的转移方法。为了制备异质结，需将薄膜式的石墨烯层转移至二硫化钼的表面。
步骤三；在石墨烯/MoS2/SiO2/Si层的石墨烯层上设置Ag材质的金属电极，通过热蒸发技术形成设置在SiO2/Si衬底层上的Ag/石墨烯/MoS2异质结器件，并使用光电探测器测试***测试其光电性能。具体的，设置在SiO2/Si衬底层上的Ag/石墨烯/MoS2异质结器件具有明显的负光电导效应，与传统半导体的正光电导性质正好相反。
本发明一个较佳实施例中，所述步骤一中，干法转移具体步骤为，首先将制备好的聚二甲基硅氧烷PDMS剪切为矩形块，平整按压于MoS2/Sapphire表面；然后静置1~10min，利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从聚二甲基硅氧烷PDMS一侧轻轻将其揭起，MoS2保留在聚二甲基硅氧烷PDMS上形成PDMS/MoS2层；再将PDMS/MoS2层贴合至SiO2/Si衬底层上，40 ℃~60℃烘烤3~8 min，释放聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2/SiO2/Si之间的黏附力，易于剥离聚二甲基硅氧烷PDMS，从而将MoS2层转移至SiO2/Si衬底层上，完成MoS2层的转移形成MoS2/SiO2/Si层。
本发明一个较佳实施例中，步骤二中，所述石墨烯层转移是在真空热压***中完成；具体步骤如下，首先使用高温胶带将石墨烯/Cu 层的一面固定在载玻片Glass上，其中石墨烯层的另一面朝外，并将其安装在真空支撑台顶部下方，真空支撑台下方设置有腔室，腔室的腔底放置目标基底MoS2/ SiO2/Si层；然后将腔底加热至180~220℃，腔室真空抽至120~180 mTorr，缓慢降低支撑台，使Glass/Cu/石墨烯与MoS2/ SiO2/Si层接触；保持10~25min，将腔室底部温度降低至30~50℃，缓慢抬起真空支撑台，石墨烯层（3）被转移至MoS2/SiO2/Si层表面形成石墨烯/ MoS2/ SiO2/Si层。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：
本发明提供一种具有低成本、高响应度的硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器及其制备方法；通过采用二维材料转移技术，减少石墨烯/TMDC异质结界面层杂质问题，提高石墨烯/TMDC光导型探测器的光电特性。本专利中的硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器具有显著的负光电导效应。二维材料转移技术是构建二维材料异质结器件的关键，本专利中重点强调并特别要求了制备探测器过程中的材料转移技术。
本发明的一种硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器的制备方法，异质结制备主要通过干法转移完成。干法转移主要借助物理吸附原理在一定条件下实现。与湿法转移相比，干法转移在转移过程中没有引入任何化学液体，避免了化学污染，较好的保证了转移后材料表面洁净、无残留物。
本专利利用二维材料干法转移技术实现了低成本，方法简单易实现的石墨烯/MoS2异质结光电探测器的制备技术部。
通过测试石墨烯/MoS2异质结光电特性，发现其具有明显的负光电导效应。在650nm波长下，响应度达10.5 A/W。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的硫化钼和石墨烯异质结光电导探测器分子结构示意图。
图2是本发明的硫化钼和石墨烯异质结光电导探测器光电测试I-V曲线。
图3是本发明的硫化钼和石墨烯异质结光电导探测器光电测试I-T曲线。
其中，1- SiO2/Si衬底层，11-Si层，12-SiO2层，2- MoS2层，3-石墨烯层，4-金属电极。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明专利，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例公开了一种硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器，包括异质结，异质结包括设置在SiO2/Si衬底层1上的MoS2层2，MoS2层2上设置有石墨烯层3，石墨烯层3上设置有2个Ag制成的金属电极4。SiO2/Si衬底层1包括设置在MoS2层2下方的SiO2层12，以及设置在SiO2层12下方的Si层11。
硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器的制备方法：
步骤一，MoS2层2转移通过聚二甲基硅氧烷PDMS干法转移方式；利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从而将MoS2从MoS2/Sapphire中的原始基底的蓝宝石上剥离出来，转移至所需的SiO2/Si衬底层1上形成MoS2/SiO2/Si层。
具体的，干法转移具体步骤为，首先将制备好的聚二甲基硅氧烷PDMS剪切为矩形块，本发明一个实施例中，聚二甲基硅氧烷PDMS裁剪为2 cm×2 cm大小，平整按压于MoS2/Sapphire表面；然后静置1~10min，本发明名优选3min，利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从聚二甲基硅氧烷PDMS一侧轻轻将其揭起，MoS2保留在聚二甲基硅氧烷PDMS上形成PDMS/MoS2层；再将PDMS/MoS2层贴合至SiO2/Si衬底层1上，40 ℃~60℃烘烤3~8 min，本发明优选50 ℃烘烤5min，释放聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2/SiO2/Si之间的黏附力，易于剥离聚二甲基硅氧烷PDMS，从而将MoS2层2转移至SiO2/Si衬底层1上，完成MoS2层2的转移形成MoS2/SiO2/Si层。
步骤二，石墨烯层3转移主要使用真空热压***实现两种材料的组装；为了制备异质结，需将石墨烯薄膜转移至MoS2/SiO2/Si层上MoS2层2的表面作为石墨烯层3，形成石墨烯/MoS2/SiO2/Si层。
具体的，石墨烯层3转移是在真空热压***中完成，具体步骤如下：首先使用高温胶带将石墨烯/Cu 层的一面固定在载玻片Glass上，其中石墨烯层3的另一面朝外，并将其安装在真空支撑台顶部下方，真空支撑台下方设置有腔室，腔室的腔底放置目标基底MoS2/SiO2/Si层；然后将腔底加热至180~220℃，本发明优选200℃，腔室真空抽至120~180mTorr，本发明优选150 mTorr，缓慢降低支撑台，使Glass/Cu/石墨烯与MoS2/ SiO2/Si层接触；保持10~25min，本发明优选15min，将腔室底部温度降低至30~50℃，本发明优选40℃，缓慢抬起真空支撑台，石墨烯层3被转移至MoS2/ SiO2/Si层表面形成石墨烯/ MoS2/ SiO2/Si层。
步骤三；在石墨烯/MoS2/SiO2/Si层的石墨烯层3上设置Ag材质的金属电极4，通过热蒸发技术形成设置在SiO2/Si衬底层1上的Ag/石墨烯/MoS2异质结器件，并使用光电探测器测试***测试其光电性能。
图2为石墨烯/MoS2异质结光电探测器光电测试I-V曲线。可以看到金属电极4接触为典型的欧姆接触，并且在光照下电流减小，器件表现明显的负光电导效应。图3为异质结光导探测器的光电测试I-T曲线。光照时电流减小，无光时，电流逐渐恢复到稳定状态。并测试异质结光导探测器在光功率密度为0.9 mW/cm2时，响应度达10.2 A/W。本实验通过转移方式构造异质结，成本低，并发现构造的异质结光导探测器的Ag/石墨烯/MoS2结构具有明显的负光电导效应，这在器件应用方面具有一定的指导意义。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (6)
1.一种硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器，包括异质结，其特征在于：所述异质结包括设置在SiO2/Si衬底层（1）上的MoS2层（2），所述MoS2层（2）上设置有石墨烯层（3），所述石墨烯层（3）上设置有若干个金属电极（4）。
2.根据权利要求1所述的硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器，其特征在于：所述石墨烯层（3）上设置有2个金属电极（4），金属电极（4）采用Ag制成。
3.根据权利要求3所述的硫化钼-石墨烯异质结光电导探测器，其特征在于：所述SiO2/Si衬底层（1）包括设置在所述MoS2层（2）下方的SiO2层（12），以及设置在所述SiO2层（12）下方的Si层（11）。
4.根据权利要求1~3中任一权利要求所述的光电导探测器中硫化钼-石墨烯异质结的制备方法，其特征在于：
步骤一，MoS2层（2）转移通过聚二甲基硅氧烷PDMS干法转移方式；利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从而将MoS2从MoS2/Sapphire中的原始基底的蓝宝石上剥离出来，转移至所需的SiO2/Si衬底层（1）上形成MoS2/SiO2/Si层；
步骤二，石墨烯层（3）转移主要使用真空热压***实现两种材料的组装；为了制备异质结，需将石墨烯薄膜转移至MoS2/SiO2/Si层上MoS2层（2）的表面作为石墨烯层（3），形成石墨烯/MoS2/SiO2/Si层；
步骤三；在石墨烯/MoS2/SiO2/Si层的石墨烯层（3）上设置Ag材质的金属电极（4），通过热蒸发技术形成设置在SiO2/Si衬底层（1）上的Ag/石墨烯/MoS2异质结器件，并使用光电探测器测试***测试其光电性能。
5.根据权利要求4所述的光电导探测器中硫化钼-石墨烯异质结的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，干法转移具体步骤为，首先将制备好的聚二甲基硅氧烷PDMS剪切为矩形块，平整按压于MoS2/Sapphire表面；然后静置1~10min，利用聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2之间的黏附力大于MoS2与蓝宝石之间的黏附力，从聚二甲基硅氧烷PDMS一侧轻轻将其揭起，MoS2保留在聚二甲基硅氧烷PDMS上形成PDMS/MoS2层；再将PDMS/MoS2层贴合至SiO2/Si衬底层（1）上，40 ℃~60℃烘烤3~8 min，释放聚二甲基硅氧烷PDMS与MoS2/SiO2/Si之间的黏附力，易于剥离聚二甲基硅氧烷PDMS，从而将MoS2层（2）转移至SiO2/Si衬底层（1）上，完成MoS2层（2）的转移形成MoS2/SiO2/Si层。
6.根据权利要求4所述的光电导探测器中硫化钼-石墨烯异质结器的制备方法，其特征在于：所述石墨烯层（3）转移是在真空热压***中完成；具体步骤如下，首先使用高温胶带将石墨烯/Cu 层的一面固定在载玻片Glass上，其中石墨烯层（3）的另一面朝外，并将其安装在真空支撑台顶部下方，真空支撑台下方设置有腔室，腔室的腔底放置目标基底MoS2/SiO2/Si层；然后将腔底加热至180~220℃，腔室真空抽至120~180 mTorr，缓慢降低支撑台，使Glass/Cu/石墨烯与MoS2/ SiO2/Si层接触；保持10~25min，将腔室底部温度降低至30~50℃，缓慢抬起真空支撑台，石墨烯层（3）被转移至MoS2/ SiO2/Si层表面形成石墨烯/ MoS2/SiO2/Si层。
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